自動化類課程實驗平臺及內容體系提升

李 鵬， 陳 勇， 任文平， 苗愛敏， 蒙文強， 劉 吟

(1.云南大學 a.信息學院， b.電子信息技術國家級實驗教學示范中心,昆明 650504；2.西門子工廠自動化工程有限公司上海第一分公司，上海 200030)

0 引 言

自動化技術已在農業、工業、航空航天、武器裝備及服務業等多個領域得到了不斷的發展，自動化類課程已成為大多數高校電子信息類專業本科生培養計劃中必不可少的內容。該類課程除了需要學生掌握堅實的理論基礎外，還需要培養學生較強的系統分析、設計和實踐能力，這也是高等教育培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才之所需。

國內不少高校在自動化類課程實驗設備方面投入了大量的資金進行建設，加強了實驗環節的教學力度，為培養具有創新性且工程能力強的學生進行了不斷的探索。劉中等[1]提出了加大自動控制原理實踐教學的設計性實驗比重的方案；楊欣等[2]對自動化類課程的實驗模式和系統進行了充實和提高，實現對自動化專業及不同工程專業學生的綜合實踐能力、創新能力和工程能力的培養；趙亦欣等[3]提出了基于建構主義理論的自動化專業實驗教學改革的探索新方法和新思路；朱濤等[4]開發了仿真與原型實現相結合的儀表自動化實驗系統，實現了控制系統實驗虛擬與現實環境的靈活切換。

但對于尚未開設自動化專業的地方綜合性大學,由于實驗室建設的起步條件、資金投入及其他客觀因素所限,因此如何提升自動化類課程的實驗平臺及內容體系,培養學生創新精神和實踐能力,成為值得探索的問題。本文以云南大學為例，重點分析了包括云南在內的國內高校自動化類課程實驗平臺及內容體系存在的不足，提出了自主集成及研發半實物混合仿真實驗平臺的構建方案和由淺入深、符合自動化技術發展潮流的實驗內容教改方案，提升了云南大學自動化類課程實驗內容的工程性及前瞻性，以及實驗設備的利用率及潛力。

1 實驗平臺及內容體系現狀

我校作為地方綜合性重點大學,雖尚未設立自動化本科專業，但自上世紀90年代以來，在相關的電子信息本科專業以及控制科學與工程研究生專業中，逐步開設了自動控制原理(本科)、可編程控制器技術(本科)、控制系統工程設計(本科)、現代控制理論(研究生)、現代控制系統(研究生)以及控制工程綜合與實踐(研究生)等多門自動化類課程，并于2013年9月與上海西門子工業自動化有限公司聯合建立了“控制工程實驗室”，即：“西門子—云南大學先進控制技術聯合實驗室”。

該實驗室擁有故障安全型自動化控制系統、先進運動控制系統(雙軸)、高級過程控制系統(PCS7)等實驗平臺5套，以及18套S7-200系列PLC。并配套了高級型過程控制綜合實驗平臺、普通型過程控制綜合實驗平臺、四旋翼飛行仿真器、多級倒立擺、運料小車實驗平臺、可編程序控制器教學實驗平臺等控制系統實驗對象(見圖1)。

控制工程實驗室的教學體系內容基本滿足了自動化類專業核心課程和選修課程的實踐教學需求，也為控制科學與工程學科的相關科研實驗提供必要的平臺支撐，但還存在以下兩個方面的問題。

圖1 控制工程實驗室課程體系及實驗平臺

(1) 實驗內容側重理論仿真，工程性不強。自動控制原理、現代控制理論及現代控制系統等課程知識面廣、內容多、理論性強，控制系統分析、設計過程涉及到各種分析方法和復雜的計算模型，內容比較抽象，教學過程中難以讓學生將理論所描述的系統與各種實際的自動控制系統聯系在一起，極易造成理論與實際脫節，所以教學時必須輔以足夠的課程實驗[5]。

在國內各個高校，上述課程的實驗教學主要偏重于理論仿真。大部分學校借助于Matlab仿真軟件并結合應用實例，將控制理論分析及工程設計方法滲入到實驗教學中[6]；也有學校采用實驗箱、Matlab和電子設計自動化(Electronic Design Automation,EDA)仿真三者相結合的方法[7]；或是基于OrCAD-PSpice仿真軟件進行控制系統綜合設計[8]；或是針對實驗箱工程性不強的缺陷，設計了基于Simulink/RTWT的半實物仿真實驗系統[9]。

目前，信息學院自動控制原理等課程的實驗教學，主要側重于基于Matlab Simulink工具箱的虛擬仿真。當然，對于以實踐教學為主的可編程控制器技術、控制工程綜合與實踐等課程，已逐步增加了基于實際控制系統及控制對象的實驗內容，但基本模式還處于“半實物仿真”的階段，離工程化的實驗還差一步之遙。

而作為工科專業的本科生及研究生，上述實驗模式及內容已無法全面調動他們的主動性和積極性，不利于對他們創新能力和工程設計能力的培養。

(2) 實驗設備的利用率不夠，潛力尚未完全發揮。從實驗開展的數量層面上看，控制工程實驗室23套控制系統在春季及秋季兩個學期均向本科生和研究生開放使用，設備使用效率尚可。

但是，西門子的故障安全型自動化控制系統、先進運動控制系統(雙軸)、高級過程控制系統(PCS7)等實驗平臺5套設備均為目前工業領域非常先進的控制系統，它們融合了西門子全集成自動化的先進理念，也采用了西門子最先進的控制技術。若開展的實驗內容主要以簡單的順序邏輯控制為主，則無法完全發揮上述實驗設備的潛力。

特別是當今自動化領域已邁向了網絡化及智能化的工業4.0時代[10]，如何讓學生掌握和了解最先進的工業控制技術，為我國的智能制造、互聯網+的發展戰略培養合格的工程師，是自動化類課程實驗需改進的方向。只有如此，才能極大地提高控制工程實驗室設備的實際利用率，滿足自動化技術的發展潮流。

2 實驗平臺及內容體系提升方案

針對上述兩方面問題，對現有的自動化類課程實驗內容體系及平臺進行研究、充實和提升，增強了實驗平臺的工程性為培養電子信息類本科學生以及控制科學與工程類研究生具備先進控制系統的綜合設計、系統分析和系統實現以及理論驗證和能力創新，提供一個堅實的實踐基礎。具體方案及方法如下：

(1) 自主集成及研發實驗平臺，提高控制裝置的潛力。對于資金充裕的高校而言，直接購買控制系統和控制對象集成一體的實驗平臺是省力省時的上佳選擇。但由于控制系統不是自主集成和研發的，因此一旦需要擴展和提升實驗內容及提高控制裝置的“潛力”，就會遇到極大的困難。

根據控制工程實驗室的現狀，已經購置的23套西門子控制系統且基本滿足了順序邏輯控制的實驗需求，但是復雜過程控制對象比較缺乏。此時若再添置集成了控制系統的復雜過程控制實驗對象，則會造成部分控制系統的閑置，且集成好的實驗對象難于進行二次開發，無法滿足實驗教學內容向網絡化、智能化方向發展的需求。

因此，本著節約成本與便于二次開發，選擇了自主研發實驗平臺的方案，如圖2所示。即：利用已購置的不含控制系統的實驗對象，包括諸如雙容水箱、運料小車等簡單過程對象，以及帶加熱爐的三容水箱系統等復雜過程對象，利用現有的西門子S7-200、S7-300及PCS7控制系統進行集成，基于Kingview或Wincc,自主研發控制系統的人機接口軟件。

圖2 集成及研發的實驗平臺

另一方面，還設計了基于西門子S7-200/300PLC的半實物半仿真的混合實驗平臺，如圖3所示。該實驗平臺基于西門子現場總線和PLC控制控制系統，結合KingView組態軟件以及Matlab/Simulink仿真軟件，構造了一個半實物、實際與虛擬相結合、涵蓋優化層、監控層及過程層的工業過程控制混合仿真平臺[11-12]。該平臺可針對鍋爐系統、精餾塔、加料機等過程虛擬對象，建立先進過程控制(APC)控制策略模型，并基于以太網及OPC通信，實現控制器、虛擬對象、組態系統及優化模型之間數據的互聯互傳。

圖3 半實物實驗仿真平臺

上述兩方面的工作為自動化類課程中開展復雜控制系統、智能控制系統、網絡化控制系統的工程實驗奠定堅實的平臺基礎。

(2) 完善實驗內容體系，由淺入深地提高學生工程實踐能力。為了提高學生的工程實踐能力，制定了“簡單、復雜、智能、網絡化”4個層次的實驗內容，如表1所示。

第1、2層次的簡單及復雜控制系統仿真與工程設計實驗，主要培養學生運用經典控制理論進行控制系統分析、設計的能力，授課對象主要為電子信息類本科生；第3、4層次的智能及網絡化控制系統仿真與工程設計實驗，主要培養學生運用現代控制及智能控制理論進行控制系統分析、設計的能力，授課對象主要為電子信息類卓越工程師班本科生以及控制科學與工程專業研究生。

上述4個層次的實驗內容體系安排，目的在于由淺入深地引導、提高學生工程實踐能力。學生除了要完成基于Matlab的控制系統仿真實驗外，還要基于運料小車、加熱爐、多容液位系統等實際過程控制對象，循序漸進地把簡單、復雜、智能及網絡化控制系統的理論仿真結果應用于實際的控制系統中，從而在提高了學生的工程實踐能力，同時也初步培養了學生設計智能控制系統和網絡化控制系統的能力。

表1 實驗內容體系方案

3 結 語

如何提升自動化類課程的實驗平臺及內容體系，培養符合智能制造、互聯網+國家發展戰略需求的工程師，是大學實驗教學值得探索的問題。本文以云南大學為例，分析了國內高校特別是地方綜合性大學在自動化類課程實驗方面存在的不足；提出了自主集成及研發實驗平臺，提高實驗裝置潛力的平臺建設解決方案；以及由淺入深的制定了“簡單、復雜、智能、網絡化”4個層次的實驗內容體系，在逐步提升學生工程實踐能力的同時，也為培養具備智能、網絡化技術特征的專門人才進行了初步的探索。